1.3 国内外研究进展
1.3.1 泥沙数值模拟研究进展
自1914年Gilbert用水槽输沙实验研究泥沙问题以来，不少科学家致力于泥沙研究，积累了很多文献和专著。从E.Meyer Peter的推移质的实验，Einstein的底沙输沙关系式，H.Rouse的泥沙紊动扩散理论，随后，许多专著相继问世。Vanoni发表了《泥沙工程》，Yalin发表了《输沙力学》，钱宁编写了《泥沙运动力学》和《河床演变学》，韩其为发表了专著《泥沙运动统计理论》，1989年，中国水利学会泥沙专业委员会主编了《泥沙手册》。而后，泥沙研究的蓬勃发展，文献如雨后春笋般地出现，泥沙力学进入百家争鸣的阶段。我国先后出现了众多综合性阐述河口海岸和泥沙问题的专著。近些年来，周志德综述了20世纪的泥沙运动力学，王光谦对泥沙学科的特点进行简要说明，介绍了我国泥沙研究取得的代表性重要成果，讨论了泥沙学科未来的发展趋势。王兆印探讨了未来泥沙研究的发展趋势和面临的新课题。周济福等则通过大量的文献调研，评述了国内外学者在河口泥沙运动的基本理论、数值模型等方面的研究工作和成果。
有关潮流、泥沙数值模拟的研究工作，国内外学者对不同方面做了若干总结性的评述。匡翠萍概述了潮汐河口水流数学模型。李孟国、曹祖德、严世强、熊德琪对海岸河口地区潮流场的数值模拟方法进行了较为系统的归纳总结和评述，对潮流数值模拟的发展趋势进行了分析。刘桦等回顾了近年来国内外河口与海岸三维水动力学数学模型研究的新进展，着重讨论了三维水动力学数学模型研究中的若干基本问题。对河口三维潮流和密度流问题而言，其基本方程已经基本解决，但是在风暴侵袭期间，多种尺度的动力因素同时存在，建立其合理的流动模型是一项重要的基础性工作；尽管已有一些成功的河口三维流动数学模型，但是寻求基于并行计算技术的数值模拟系统将是值得努力的方向。此外，河口大规模动边界和漫滩水流的模拟仍有待作进一步研究。董壮扼要地介绍了三维水流数值模拟研究的进展，归纳了常见的数值离散方法，给出了数值计算中常见问题的处理办法，指出了数值模拟成果可视化的必要。车进胜等在回顾河口海岸水动力数值模拟研究进展的基础上，对其新技术数字河口动力模型的基本内涵，科学意义和河口模型四维资料同化的作用及其发展前景进行了探讨。曹祖德、孔令双等对海口、河口水动力数值模拟的发展动向做了多方面的预测。沈焕庭从二维数值模型、一维与二维连接混合数值模型、悬移质输移和河床变形数值模型、推移质输沙数值模型、波流共同作用数学模型、拉格朗日余流数值模型、三维数值模型、复合模型等8个方面较全面地论述了我国近15年来河口数值模拟研究的进展。陈国祥等对国内外近年来在三维水沙数学模型的研究应用情况进行总结和评述。张修忠等对近年来国内外浅水流动及输运三维数学模型的发展作了较全面的回顾，重点论述了数学模型研究中的若干基本问题，包括垂向坐标的σ变换、悬沙输移的近底边界条件、自由水面的计算、紊流的封闭问题以及有效的数值计算方法。讨论了浅水流动及输运三维数学模型有待于进一步研究的方向和发展趋势。李孟国对海岸河口泥沙运动的基本方程、数值方法、边界条件、参数选取等进行了归纳总结和评述。万远扬等对泥沙模型研究进行了评述与前景展望。Abbott和Davies等对近年来三维潮流数学模型的进展做了较为全面的概括。远航等回顾和总结了近年来国内外潮流与泥沙数值模拟的进展，评价分析了数学模型的多种数值解法。周华君对河流海岸工程水动力数值模拟的基本过程进行了分析。彭静等综述了珠江河口三角洲水域近5年来的数值模拟技术研究成果。目前，国内外通过数值模拟对河口海岸泥沙研究发展的如火如荼，许许多多的研究者都为此作着不懈努力。
人们首先是从一维泥沙模型开始研究，经过数十年的发展和应用一维泥沙模型已较成熟。在国内林秉南等通过分析沉积速度与含沙量之间的关系以及不同时段半潮平均挟沙力，建立了钱塘江河口的一维悬沙模型。Maskell采用一维数学模型对Parrett河口的水流及泥沙运动进行了模拟计算，发现由于涨落潮的不对称性引起河口内悬沙含量比口门外高出10倍，同时也发现悬沙在垂向上浓度梯度可以降低水流对底床的切应力，减弱了悬沙的再悬浮作用。诸裕良等建立了一维河网非恒定流及悬沙数学模型，提出了节点悬沙控制法，该模型成功地应用于珠江三角洲流域河网水流及悬沙的数值计算。
国际上常见的泥沙一维数学模型包括：我国岳建平、张启舜等人开发的H-H模型，丹麦水利所MIKE 11模型；美国陆军土木工程师兵团的HEC-RAS模型；法国国家水利所SED ICOUP模型；英国Wallingford水利所的ISIS模型以及德国国家水利设计院BAW系列模型等。
二维泥沙模型可以对泥沙的对流、扩散、冲刷、淤积等动力过程以及底部泥沙固结机制进行模拟，二维泥沙模型一般分为平面二维模型和垂向二维模型，平面二维泥沙数值模型建立在垂向平均的基础上，能够模拟出区域泥沙场的平面分布，而垂向二维能够反映泥沙剖面的分布，以及泥沙底边界的某些动力过程。Mead同时使用垂向二维和平面二维的泥沙模型研究河口内挖槽区的淤积问题，并对其做了比较：平面二维可以反映底质供给程度的影响，垂向二维模型则可反映垂向上流场的辐聚和辐散对挟沙力的影响。在我国利用二维数学模型来研究泥沙问题发展的也很迅速，如叶锦培等对涨落潮使用不同挟沙力公式，建立了二维泥沙模型并对珠江口磨刀门潮流输沙进行了计算；张士奇等利用一维、二维连接的数学模型对黄河口冲淤进行了研究；周济福等根据振荡边界层理论和波流分解方法，导出了河口往复水流的流速垂向分布廓线，据此建立了河口垂向准二维水流、盐度、泥沙运动模型。曹文洪等开发建立了适合黄河河口近岸应用的平面二维动边界非恒定水流泥沙数学模型，较好地模拟了该处的泥沙输移和冲淤变化；严以新等系统研究了水动力数学模型及模拟技术，所建立的珠江三角洲水域全隐水沙数学模型成功应用于珠江三角洲航道整治等工程；窦希萍等建立了波浪和潮流作用下二维泥沙数学模型。马福喜等建立了河口水流、波浪、潮流、泥沙、河床变形二维数学模型。朱志夏等建立了波浪、潮流共同作用下二维悬沙数学模型，并将该模型应用于渤海湾北部海域。李瑞杰等建立了河口悬沙运动二维数学模型。丁平兴等建立了波—流共同作用下的二维全沙及河床演变模型。陆永军等建立了波浪与潮流联合作用下二维泥沙数学模型，探讨了多连通域复杂边界条件下瓯江口拦门沙航槽开挖后潮流与风浪作用下悬沙、底沙与浮泥引起航槽回淤的模拟问题。Tattersall等利用平面二维潮流及悬沙浓度数学模型对Tamer河口的实测悬沙浓度进行了分析研究。结果表明，高潮时细床沙在河口上游重新悬浮，在低潮时这些泥沙回落到下游，由中潮到大潮，随着床面剪切力的增加，泥沙侵蚀量也随之增加，形成悬浮泥沙运动层，大潮过后，随潮流运动的泥沙量减少，从而发生泥沙的堆积。候一筠等建立了一个综合多种因素的波浪、潮汐、风暴潮联合作用下的二维悬沙模型系统。胡克林建立了波-流共同作用下的长江口二维悬沙数学模型，曹振轶建立了长江口平面二维非均匀全沙数学模型。李大鸣等根据波浪浅水变形理论及波浪辐射应力作用的二维浅水环流方程、泥沙运动连续方程和水流挟沙能力公式建立了潮流、波浪联合作用的泥沙数学模型。
对于平面二维泥沙数学模型，国际上有名的模型为：德国Karlsruhe大学的FAST 2D模型、荷兰Delft的Van Rijn模型、TRIM 2D模型、Iowa水利所的MOBED2模型、美国的Missipsippi大学水科学计算中心CCHE2D模型、丹麦水利所的MIKE21模型、美国的SED2D，Hayter的HSCTM-2D等。
自然界的流体运动往往是三维特性很强的，特别是在边界变化较为剧烈的区域和深水区域以及地形复杂的水域和弯道等流体运动的三维性尤为突出，垂向流速不能简单的忽略，所以这样的情况下一维、二维数学模型就难以保证相应的准确度。河口地区，盐水入侵以及泥沙含量的垂向分布，使得水流在盐水楔滞留区具有较为明显的分层流的现象。这些问题，平面二维数学模型就无法刻画了。随着泥沙工程技术要求的不断提高，迫切需要发展更接近于实际情况的三维泥沙数值模拟方法。目前，由于计算机的性能问题，大水体（如河口）雷诺方程的三维数值模拟还没能发展到实际工程应用的地步。考虑到近海潮流的水平空间尺度远大于垂直空间尺度，可以看作一种准平行流动，这时水质点运动的垂直加速度比重力加速度小得多，垂直方向的流体运动方程退化为静压方程，即所谓的静压假定。这样，可以用水位变量代替雷诺方程中的压力变量得到三维浅水方程，使得需求解的数学问题得到简化。三维浅水运动计算的数值求解是在二维潮流数值计算基础之上发展起来的，Leendertse在垂直方向采用固定分层法，在每层中沿水深积分使之成为二维问题，并用ADI格式进行数值离散。1985年赵士清也提出了在垂向上划分为若干层，将一个三维问题简化为求解一系列二维问题，各层之间通过内摩擦阻力来连接，这些模型是三维模型最初的基本特征和研究方法。
泥沙三维数学模型起步于20世纪80年代，标志性的成果为Chen和McAnally用三维模型计算了河口的泥沙输运问题，以及Wang等人利用有限元方法建立了河流三维泥沙数学模型。Demuren等首先采用k-ε模型计算了弯道流和被动粒子（污染物）的输运，后又发展为模拟悬移质在弯道中的输移。Van Rijn在研究了一些基本物理参数的影响下建立了一个在缓变流下的三维悬沙输运模型，而它的流场部分则有一个深度平均的二维模型与一个对数流速剖面来实现。O’Connor and Nicholson建立了一个三维的黏性泥沙输移模式，他们用特征线的方法处理泥沙输运方程中的平流项，并使用实验数据对模型进行验证。Cahyono作了较为深入的非分层流河口的泥沙输运的数学模型研究。Malcherek等建立了Petrov-Galerkin有限元三维模型并模拟了河口泥沙输移，得到了较好的成果。Shrestha等建立了浅水海湾的黏性沙三维数学模型。Olsen和O’Nei1建立了动床泥沙输运三维模型，重点考虑了河床本身的固结过程，并应用实验验证了其模型。此模型的缺点：模型实现复杂，未考虑黏性沙河床的液化作用，未能得到野外数据的验证，总应力作为上边界条件尚需要进一步探讨等。Cancino and Neves建立了一个全三维的考虑斜压效应的水动力泥沙数学模型，模型中与细颗粒泥沙侵蚀、沉积和絮凝有关的参数通过现场实测数据确定。Brenon等利用二维、三维潮流及泥沙输移联合模型对影响Seine河口最大浑浊带的几个因素进行了分析。Lou and Ridd利用一个模型系统，包括二维和三维流场、波浪传播模型、波—流相互作用的底边界层模型和准三维的悬沙输运模型，较好地模拟了Cleveland湾（澳大利亚）的悬沙过程和自然淤积率。Prandle et al.建立了一个考虑波浪、潮流、垂向紊动、泥沙输运的联合模型，并使用多种观测手段，研究海岸线侵蚀非常严重的Holderness海岸（英国）附近动力场和泥沙场的情况。
在国内卢启苗等采用有限元法建立了适用于海岸河口浅水地区的三维潮流数学模型，垂向采用绝对分层坐标系统。陈虹和李大鸣则采用σ坐标变换，三角网格有限差分格式，建立了一个三维潮流泥沙模型，对渤海湾顶典型潮潮流与泥沙运动进行了模拟。李蓓和唐士芳将一个三维潮流盐度泥沙数值模型应用到伶仃洋航道的整治研究中，模拟计算得出的航道一期工程开挖后的淤积量与实测结果十分接近。为了研究渤海中悬浮物长时间、大范围的输运规律，江文胜和孙文心研究并改造了德国汉堡大学的粒子追踪悬浮物输运的三维模式，利用粒子追踪方法模拟了由黄河口排放的细颗粒物质的分布和输运的情况。李瑞杰等基于环境流体动力学模型开发了适用于河口海岸的海岸工程水动力及物质输运数学模型，并将其应用到太平水道和崖门水沙问题研究中，取得了很好的效果。邵宇阳对近岸三维潮流泥沙进行了模拟，周杰建立了河口三维黏性泥沙输运数值模拟（以长江口为例），曹慧江对长江河口枯季三维流场悬沙进行了数值模拟。丁平兴等人建立了适合于河口海岸地区、能合理反映波浪影响的波-流共同作用下三维悬沙输运的数学模型。陆永军应用窦国仁的紊流随机理论，建立了三维紊流泥沙数学模型。李孟国等和韩树宗等建立了三维潮流输沙的数学模型，并进行了实际应用。白玉川等建立了基于σ坐标系的自适应网格三维数值模拟模型，并根据近岸带及河口区潮流、波浪、湍流各自物理尺度的不同，建立了模拟波浪潮流联合输沙及海床冲淤演变的理论体系，给出了潮流作用下近岸波浪传播方程、波浪作用下潮流运动方程。
朱建荣，胡松等利用改进的ECOM模型在设计的理想河口上进行了数值试验，结合泥沙输运模型研究了理想河口最大浑浊带的形成动力机制，取得了满意的成果。
国外较为成功的三维泥沙数学模型有美国的ECOMSED，SED3D，丹麦的MIKE Ⅲ，荷兰Delft大学水力学实验室的Delft 3D等。
1.3.2 黄茅海的潮流泥沙研究进展
近二十多年来，为了研究黄茅海地区潮流、泥沙运动规律、河床演变规律，国内许多学者和设计研究单位进行了研究，取得了很多宝贵的成果。比较典型的研究成果有：杨雪舞等分析了黄茅海河口湾泥沙来源、运移过程、水动力沉积、动力地貌体系及冲淤演变等。应强等引进模糊数学的方法确定黄茅海海域内各沙源主要泥沙输移路线及淤积范围。众多学者对珠江口的河口特性、淤积演变、滩涂发育及人类活动的影响等进行了研究。
吴加学以珠江黄茅海河口为例，使用1988年4月、1992年洪、枯季表层沉积物颗粒分析成果，根据泥沙粒径统计特征值，运用McLaren模型分析河口泥沙输移趋势，并结合水动力及水下地形进行综合分析，确定泥沙来源、搬运方向，探讨泥沙输移机制。为进一步研究河口泥沙运动规律及泥沙通量提供背景，同时为研究河口湾出海航道、港口泥沙淤积及河口污染物输移扩散提供一条新途径，并对黄茅海河口动力及动力沉积进行了研究。陈卓英等分析了珠江黄茅海河口湾悬沙纵向输运机制。辛文杰利用潮流数值模拟方法，以珠江口黄茅海河口为例，进行边滩围垦后湾内潮波变形的模拟计算。汤立群采用正交曲线坐标对多入流多岛屿的喇叭形河口计算域进行了坐标拟合，用“露滩冻结”动边界技术模拟珠江口黄茅海的二维潮流计算域，较好地解决了边滩、浅滩边界随水位的变动问题。辛文杰、张心凤等对黄茅海二维悬沙进行了数值模拟。丁坚等采用海岸工程水动力学数学模型对黄茅海潮流场及波浪场进行了计算。张心凤建立了波流共同作用下平面二维动边界潮流泥沙数学模型，对模型的冲淤分布进行验证，实现了对黄茅海水域长期演变的模拟预测。黄平提出了一种模拟三维海流运动的隐式差分方法，用于崖门海域的海流模拟，能较好地反映三维海流运动的特征。詹杰民等分析了珠江黄茅海河口小尺度动力结构并进行了三维斜压模拟。陈晓宏建立了珠江口海域三维悬浮泥沙的非饱和输沙数学模型，并与珠江口三维水动力斜压模型耦合，对悬沙迁移分布进行了模拟。王崇浩，韦永康提出了具有二阶精度、建立在9结点有限单元上的三维水动力及泥沙输移模型.该模型考虑了由水平密度梯度引起的斜压项、引用2.5阶Mellor Yamada紊流模型耦合计算水流的涡动黏滞性系数与物质的紊动扩散系数。张心凤等建立了黄茅海波流共同作用下的三维悬沙数学模型，在水流计算中考虑了波浪的作用。通过实测资料验证，模拟值与实测值符合良好，较好的复演了黄茅海悬沙分布状况。